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Tipo: Tese
Título: Otimização multi-sítio de modelo de assimilação de carbono e aplicações em ecossistemas de cerrado e pastagem
Título(s) alternativo(s): Multi-site otimization of carbon assimilation model and applications in cerrado and grassland ecosystems
Autor(es): Fischer, Graciela Redies
Primeiro Orientador: Costa, Marcos Heil
Primeiro coorientador: Alvalá, Regina Célia dos Santos
Primeiro avaliador: Hamakawa, Paulo José
Segundo avaliador: Nunes, Edson Luis
Terceiro avaliador: Malhado, Ana Cláudia Mendes
Abstract: Diante de cenários de mudanças climáticas globais, estudos usando modelos de superfície terrestre são necessários para avaliar o impacto do aumento do CO2 e o balanço de carbono em ecossistemas terrestres. Entretanto, uma boa calibração desses modelos é importante para que esses modelos representem da melhor maneira possível os processos do ecossistema. Geralmente, os modelos são calibrados para um sítio e, então, os mesmos parâmetros calibrados são aplicados para outros sítios com o mesmo tipo funcional de planta. Tendo em vista o exposto, este trabalho possui dois objetivos principais: Inicialmente, realizar uma calibração multi-sítio, utilizando dois sítios simultaneamente, e avaliar seu desempenho; E, então, fazer a aplicação dos resultados da calibração multi-sítio para gerar estimativas de produção primária líquida (NPP, em inglês) em ecossistemas de cerrado e pastagem na América do Sul. Para investigar a calibração multi-sítio, foi realizada a calibração da troca líquida do ecossistema (NEE, em inglês) para dois sítios de pastagem na Amazônia, analisando 20 diferentes funções objetivo, sendo cinco medidas de ajuste sujeitas a quatro métodos de otimização duas otimizações individuais (uma para cada sítio) e duas otimizações multi-sítio (uma com o mesmo peso para cada sítio e a outra com peso proporcional ao tamanho da série de dados). As cinco medidas de ajuste utilizadas foram: coeficiente de correlação (r), raiz do erro quadrado médio (RMSE), erro médio absoluto (MAE), erro de viés médio (MBE) e erro de viés máximo (Emax). Os resultados da calibração do modelo indicam que com algumas restrições da escolha da função objetivo, a calibração multi-sítio é possível e produz resultados consistentes entre os sítios. A escolha da função objetivo deve ser baseada na intenção de uso do modelo. Para modelos de simulações de curto prazo é recomendado o uso do método de otimização com o mesmo peso para cada sítio, usando o MAE como medida de ajuste. Por outro lado, para modelos de simulações de longo prazo, o método indicado é o mesmo peso para cada sítio, utilizando o Emax como função objetivo. Visto que neste trabalho a prioridade são simulações de longo prazo, aplicou-se o método do peso para cada sítio utilizando o Emax como função objetivo para gerar estimativas de NPP em ecossistemas de cerrado e pastagem para a América do Sul. Os parâmetros calibrados foram aplicados no Algoritmo RATE (baseado no modelo SITE), que é um algoritmo de monitoramento regional da taxa de fixação de carbono usando dados de sensoriamento remoto derivados dos produtos do MODIS (cobertura do solo, índice de área foliar e fração absorvida da radiação fotossinteticamente ativa). Os resultados indicam uma pronunciada variabilidade sazonal nas estimativas mensais de NPP para o cerrado e para a pastagem no ano de 2010, mostrando também uma conexão da variabilidade de NPP com a variabilidade climática da região períodos de alta e baixa precipitação e temperatura controlando diferenças sazonais na fixação de carbono. A variabilidade interanual de NPP foi maior para a pastagem do que para o cerrado, talvez indicando maior suscetibilidade da pastagem à variabilidade climática. Os resultados apresentaram uma clara diferença entre as estimativas de NPP do RATE e do MODIS, indicando que mais estudos são necessários para validar estratégias alternativas de estimar NPP.
Front of global climate change scenarios, studies using land surface models are needed to assess the impact of increased CO2 and the carbon balance in terrestrial ecosystems. However, to be effective these models must be carefully calibrated to accurately represent ecosystem processes. Generally, the model is calibrated for one site and then used with the same set of calibrated parameters, either in other sites or in a whole region with the same plant functional type. In view of the exposed, this research has two main objectives: first, make a multi-site calibration, using two sites simultaneously, and evaluate their performance; and then, make application of the results of multi-site calibration to generate estimates of net primary production (NPP) in cerrado and grassland ecosystems in South America. To investigate the multi-site calibration, the calibration was performed to net ecosystem exchange (NEE) for two pasture sites in the Amazon. Twenty different objective functions, being five adjustment measures subject to four optimization methods (two individual optimizations - one for each site - and two multi-site optimizations - one with the same weight to each site and the other with a weight proportional to the size of the dataset) are evaluated to investigate the consistency of the results in a multi-site model optimization. The five adjustment measures were used: correlation coefficient (r), root mean squared error (RMSE), mean absolute error (MAE), mean bias error (MBE) and maximum bias error (Emax). Our results indicate that, with some restrictions regarding the choice of objective function, multi-site calibration is possible and produces consistent results across sites. We recommend that the choice of objective function should be based on the intended use of the model. On a short time scale we recommend the site-weighted method using mean absolute error as adjustment measure. For longer times scales we recommend using the site-weighted maximum bias error. For this research the priority is long-term simulations, so we applied the site-weighted method using maximum bias error to generate estimates of NPP in cerrado and grassland in South America. The calibrated parameters were applied in Algorithm RATE (based on the SITE vegetation model), which is an algorithm for regional monitoring of the carbon fixation rate using land cover, LAI and FAPAR datasets derived from a remote sensing satellite (MODIS) product. The results indicate a pronounced seasonal variability in monthly NPP estimates for cerrado and grassland in 2010 linked to the climate variability of the region - periods of high and low precipitation and temperature driving seasonal differences in carbon fixation. Interannual NPP variability was higher for grassland than cerrado, perhaps indicating that grassland is more susceptible to climate variability. There were also clear differences between MODIS NPP estimates and those of RATE, indicating that further studies are urgently needed to rigorously validate these alternative strategies to estimate NPP.
Palavras-chave: Carbono
Micrometeorologia
Pastagem
Cerrado
Carbon
Micrometeorology
Grassland
Cerrado
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::GEOCIENCIAS::METEOROLOGIA::MICROMETEOROLOGIA
Idioma: por
País: BR
Editor: Universidade Federal de Viçosa
Sigla da Instituição: UFV
Departamento: Agrometeorologia; Climatologia; Micrometeorologia
Programa: Doutorado em Meteorologia Agrícola
Citação: FISCHER, Graciela Redies. Multi-site otimization of carbon assimilation model and applications in cerrado and grassland ecosystems. 2011. 100 f. Tese (Doutorado em Agrometeorologia; Climatologia; Micrometeorologia) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2011.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://locus.ufv.br/handle/123456789/1505
Data do documento: 29-Jul-2011
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